（电磁场与微波技术专业论文）移动通信微波电路与天线的小型化研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 随着现代无线通信技术发展以及先进微波集成电路技术与片上系统( s y s t e m o n - c h i p ) 集成技术的结合使得任意时间、地点的无线通信成为现实。 作为通信系统的构成部分，微波电路的小型化、高性能成为研究热点。电磁 带隙( e l e c t r o m a g n e t i cb 锄d g a p e b g ) 结构为系统的小型化、高性能提供了新的途 径。本文的工作主要围绕微波电路应用电磁带隙使之小型化、现代移动通信中天 线的小型化设计展开，并根据实际产品的设计展现电磁带隙结构及小型化移动天 线的特点。 自e y a b l o n o v i t c h 与s j o h n 提出了具有周期性阻抗特性的光子晶体 ( p h o t o n i cb a n d g a p ，p b g ) 后，人们将光学领域的带隙结构引入到微波电路的 应用中( p b g 在微波电路改名为e b g ) ，引起业内广泛的关注，并对其进行详尽的 理论分析、实验测试。目前e b g 的研究主要集中在滤波电路、高频谐振抑制、天 线性能改善等无源器件设计及系统级性能改善、小型化的方面，由于e b g 结构本 身的慢波效应，使系统器件小型化成为可能。一些新颖、紧凑的e b g 结构纷纷提 出。此外考虑到封装的问题，n e s i c 等人提出不需要衬底或地板蚀刻技术。在e b g 结构的基础上韩国学者提出了d g s ( d e f e c tg r o u n ds t r u c t u r e ) 结构。e b g 结构 为通信系统小型化、性能提高提供了一条新的道路。 天线作为无线通信系统中的重要部件之一，其性能好坏直接关系到系统的通 信质量。无线通信技术的飞速发展对终端天线提出了更高的要求，天线的小型化 及多频带技术的应用在近几年受到特别的关注。移动通信经历了第一代的模拟系 统、第二代的数字g s m 系统及后来因为用户急速发展，而进行的d c s ( d i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 频段的容量扩展。根据世界各地所应用制式的不同，还 有其他频段的要求，如c d m a 、p c s 、p h s 等频段。伴随着3 g 移动通信业务的 扩展及移动设施的小型化，对天线工作空间、特性提出了更高的要求。 本文首先介绍了通信微波电路中电磁带隙结构的应用、分析方法、特性及其 慢波特性的小型化设计，然后介绍目前移动通信中所涉及到的小型化内置天线的 设计、要求与趋势。后续章节根据相应的e b g 结构特性展开e b g 结构在微波电路 上海交通大学博士学位论文 中的无源滤波器、高q 值的谐振腔设计，并提出了相应的设计理念与规则。通过 大量的仿真测试，对e b g 结构的设计参数进行优化。实验证明，e b g 结构对移动 通讯系统微波电路小型化效果良好。 小型化、高性能、低剖面移动通讯天线设计，涉及到平面天线与单极天线， 是本文的另外一个重点。根据当前移动电话、固定台的需要，应天线狭小空间的 要求，提出了一些新颖的手机内置式天线设计，进行了仿真分析，并对最终的天 线工作状态进行了p a s s i v e 与a c t i v e 测试，进一步验证了所设计的小型化天线满 足客户的通话质量要求与入网测试认证。 对当前移动通讯的小型化天线设计，根据实际案例及实践经验，提出了一些 设计规范、注意事项。另外对天线的空间要求、主板f e e d & s h o r tp a d 的布局提 出了一些建设性的规范与要求，为缩短研发周期、降低风险提供了有益的参考建 议。 关键词：移动通信，e b g ，微波电路，滤波器，手机内置天线，多频天线， 小型化 i i 上海交通大学博十学位论文 a b s t r a c t w i t l l d e v e l o p m e n t o fm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d c o m b i n a t i o no fa d v a n c e dm i ca n ds o ct e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n y t i m e a n da n y w h e r ei sb e c o m i n gr e a l i t y f o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g h - p e r f o r m a n c eb e c o m e sah o t r e s e a r c hf o c u s ，f o rw h i c hp h o t o n i cb a n dg a ps t r u c t u r ep r o v i d e san e wm e t h o d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l ep u t se m p h a s i s o na p p l i c a t i o no fe b gi nm i ca n dr e s e a r c hi nm i n i a t u r i z a t i o no fm o b i l ea n t e n n a t h r o u g ha n a l y s i s ，d e s i g na n dm e a s u r e m e n to fr e a lp r o d u c t se x h i b i tt h ec h a r a c t e r so f e b ga n dm i n i a t u r i z e dm o b i l ea n t e n n aa r ee x h i b i t e d s i n c ee y a b l o n o v i t c ha n ds j o h np r e s e n t e dt h ep e r i o ds t r u c t u r e - p h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) ，i tw a si n t r o d u c e dt oa p p l i c a t i o ni nm i c ，t h et e r mp b gc h a n g e d t oe b gi n m i c r o w a v ea p p l i c a t i o n sa n da t t r a c te x t e n s i v ea t t e n t i o n l o t so ft h e o r ya n a l y s i sa n d t e s th a db e e np r o p o s e d r e c e n t l yt h er e s e a r c ho fe b gh a sb e e nf o c u s e do np a s s i v e a p p a r a t u s ，s u c ha sf i l t e r s ，h a r m o n i cc o n t r o la n da n t e n n ap e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ， e t c s o m en o v e l ，c o m p a c te b gs t r u c t u r eh a sb e e np r o p o s e d b e s i d e s ，t h i n k i n gt ot h e p a c k a g i n gp r o b l e m s ，n e s i cp r e s e n t e dt e c h n o l o g yw i t h o u te t c h i n go nt h eg r o u n d b a s e do ne b gs t r u c t u r e ，k o r e as c h o l a r sp r e s e n t e dd g ss t r u c t u r e e g bh a sb e c o m ea n e wm e t h o do f m i n i a t u r i z i n ga n di m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ec h a r a c t e ro fa n t e n n aw i l ld i r e c t l ya f f e c t t h e s y s t e m s c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y t h er a p i dd e v e l o p m e n t o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp u t sh i 曲e rr e q u e s tt ot e r m i n a la n t e n n a i nr e c e n ty e a r s ， m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i b a n dt e c h n o l o g yo fa n t e n n ah a v ea r o n s e dm o r ea t t e n t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a se x p e r i e n c e d1 g ( a n a l o gs y s t e m ) 2 g ( g s m & d c s s y s t e m ) a n dt h el a t e r3 gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n ti no t h e r n a t i o n s ，s o m eb a n d sa r es t i l li nu s en o w , s u c ha sc d m a ，p c s ，p h sb a n d ，e t c w i t h d e v e l o p m e n to f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s e sa n dm i n i a t u r i z a t i o no fa n t e n n a ， t h e r ei sah i g h e ra n dr i g i dr e q u i r e m e n to f a n t e n n as p a c ea n dq u a l i t y f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e da n a l y s i sm e t h o d s ，c h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o no fe b g i i i 上海交通大学博士学位论文 s t r u c t u r ei nc o m m u n i c a t i o nm i c r o w a v ec i r c n i t s t h e ni ti n 订o d u c e d l et r e n do f m i n i a t u r i z i n gi n t e r n a la n t e n n ad e s i g ni np r e s e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e x tp a r t s p r e s e n t e da p p l i c a t i o no fe b gs t r u c t u r ei nf i l t e r , h i g hqv a l u er e s o n a t o ro fp a s s i v e m i c ，g i v i n gd e s i g nr u l e sa n di d e a s t h r o u g hs i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n t ，d e s i g na n d o p t i m i z a t i o no fp a s s i v ea p p a r a t u sh a db e e nm a d et ov a l i d a t et h ec h a r a c t e ro fe b g s t r u c t u r ea n df i n de b gi sm o r em e r i tt om i n i a t u r i z a t i o no f m i c r o w a v ec i r c u i t s t h ed e s i g no fm i n i a t u r i z i n g ，e f f e c t i v ea n dl o w - p r o f i l em o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n t e n n a , i n c l u d i n gp l a n n a ra n dm o n o p o l ea n t e n n ai sa n o t h e re m p h a s i si nt h i st h e s i s b a s e do nt h en e e d so f m o b i l et e l e p h o n ea n df i x e dt e l e p h o n e ，t h et h e s i sp r o v i d e ds o m e n o v e l t y p e i n t e r n a la n t e n n ao fm o b i l e t e l e p h o n e t h r o u g h s i m u l a t i o na n d m e a s u r e m e n t 口a s s i v e & a c t i v et e s t ) ，t h ea n t e n n aw a sf o u n dc o m p l e t e l ys a t i s f y i n gt h e u s e r sr e q u i r e m e n ta n da c c e s sv a l i d a t i o n f o rt h ep u r p o s e dm i n i a t u r i z i n ga n t e n n ad e s i g n , a c c o r d i n gt or e a lc a s e sa n dt h e e x p e r i e n c eo ft h i st h e s i s ，s o m ed e s i g nr u l e sa n da t t e n t i o nd e t a i l sw e r eg i v e n s o m e c o n s t r u c t i v ea d v i c et oa n t e n n as p a c er e q u i r e m e n ta n dp c bl a y o u to ff e e d & s h o n w e r ea l s og i v e n t h o s er u l e sa n da d v i c eg a v eb e n e f i c i a l s u g g e s t i o n st os h o r t e n r e s e a r c hc i r c l ea n dd e c r e a s er i s k k e y w o r d s ：m o b i lc o m m u n i c a t i o n ，e b gm i c r o w a v ec i r c u i t s ，f i l t e r , m o b i l e t e l e p h o n ei n t e r n a la n t e n n a , m u l t i b a n da n t e n n a , m i n i a t u r i z a t i o nd e s i g n i v 上海交通大学 学位论文原创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果有本人承担。 学位论文作者签名：林海立 日期：2 0 0 7 年2 月8 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：挞渔童指导教师签名：毛军发 日期：2 0 0 7 年2 - 月一日 上海交通大学博t 学位论文 第一章引言 1 1 e b g 、天线在移动通信微波电路中的研究现状 随着半导体工艺技术的进步与移动无线通信的发展，对于系统的小型化、高 集成度和高性能已日益成为当前研究的热点。 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 与s j o h n 提出了具有周期性阻抗特性的光子晶体 ( p h o t o n i cb a n d g a p ，p b g ) 1 ，2 后，后，人们将光学领域的带隙结构引入到 微波电路的应用中( p b g 在微波电路改名为e b g ) ，引起业内广泛的关注。通过在 微波电路的衬底、接地板上进行蚀刻，阵列一些周期性结构，改变衬底的介电常 数，从而改变了微波电路的场分布，达到对传输信号进行调控的目的。经过后续 大量的研究表明：从光波到微波、毫米波段，p b g 结构都有相同的带隙特性。 将p b g 引入到微波集成电路中，掀起了新的设计理念浪潮，使得系统小型化、 高集成度、高特性成为可能。从系统的终端天线到系统内部的滤波、电路模块之 间的耦合与e m c 改善都有成功的应用。对于天线表面波的抑制、提高增益与辐射 效率等方面已经展现出其独特的优点 3 ，4 ，5 。一些新颖的超宽带滤波器应用 p b g 结构，使之小型化，与传统耦合滤波器相比，其所占用空间大幅减少，而其 带内损耗仅为几d b 。 基于p b g 结构在微波电路中的广泛应用潜力，国内外科研工作者对p b g 结构 展开了深入研究，并将在微波领域内的p b g 结构命名为电磁带隙结构 ( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ，e b g ) 。此外，在e b g 结构的基础上，一些学者 提出了接地板缺陷结构( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e s 。d g s ) 6 - 1 0 。形成带 隙的基本的原则是：通过在微带电路的地上引入某种结构，使得微带电路的分布 参数改变，即对阻抗的周期性调制而实现电磁带隙，对特定频段具有很好的滤波 特性。由于e b g 结构独特的慢波特性，利于通信系统的小型化，这是本文对e b g 关注的原因，并在本文提出一些新的设计理念及方法。 天线作为无线通信系统中的重要部件之一，其性能好坏直接关系到系统的通 信质量。无线通信技术的飞速发展对终端天线提出了更高的要求，天线的小型 化、双频及多频设计在近几年受到特别的关注。 上海交通大学博 学位论文 自1 8 6 2 年麦克斯韦( 英国物理学家) 在引入位移电流概念的基础上，说明 时变电场可以产生磁场，并对电磁场所遵循的普遍规律进行严格的数学描述，创 立了麦克斯韦方程组( m a x w e l l se q u a t i o n s ) ，预言了电磁波的存在；1 8 8 8 年 赫兹( 德国物理学家) 将他的实验结果公布于世，使整个科技界为之震动，赫兹 实验不仅证明了电磁波的存在，同时也导致了无线通信的产生。 1 9 0 1 年马可尼( 意大利科学家) 试验越洋通信成功【1 1 】，开创了无线电技术 的新纪元。天线的最初功能就是一个电磁波能量转换器，将导波能量转换成无线 电波能量或者将无线电波能量转换成导波能量。随着现代科学技术的发展，天线 学科与其它学科之问的交叉越来越广泛，天线学科与其它学科之间的渗透也越来 越深入。天线的功能已从单纯的电磁波能量转换器发展成兼具信号处理功能的系 统；天线的设计已从用机械结构来实现其电器性能发展为机电一体化设计；天线 的制造已从常规的机械加工发展成印刷和集成工艺 1 2 】。 随着移动通信要求的不断提高，这对移动通信应用的天线设计来说需要考虑 更多的因素。研制电小天线，以适应现代技术，使天线能在很小的手持基面上工 作，而且还要满足电特性指标，如g s m 频段，发射功率3 3 _ 2 d b m ，接收灵 敏度1 0 8 3 ( 误码率心o ) ；d c s 频段，发射功率3 0 2 d b m ，接收灵敏度 1 0 5 3 ( 误码率电o ) 。在自由空间状态下要有好的全向性，即：h 面要圆，同 时要求天线辐射效率：4 5 左右，驻波比2 ：l ，对于个别频段，如p h s ，根据 实际的场测经验要求效率 6 5 ，在此状态下才能基本保证通话切换、弱场问题， 同时要求驻波比1 5 ：1 。由于移动系统的小型化，给天线设计带来许多困难：1 天线周围电磁环境复杂；2 空间、面积不足；3 由于通信系统外围金属装饰件所 引起的寄生辐射，使得天线全向性能不好；4 天线交叉极化严重。 当前对于移动通信设备天线，其中小型化和宽频带是这类天线设计当中的焦 点。在解决上述矛盾的过程中，以微带天线为主的平面天线逐渐得到人们的广泛 关注，获得了全方位的开发。平面天线的研究主要集中在小型化和宽频带两个方 向，同时还有双( 多) 频段、双极化、圆极化、分集等方向，本论文的工作主要 集中在低剖面的手机内置式天线小型化和双( 多) 频段这两个方面。 2 上海交通大学博上学位论文 1 2 通信系统微波电路的电磁带隙应用及特点 传统微波电路设计往往局限于电路板表面的集中参数布局与设计，伴随新技 术的要求，通信系统小型化、低成本、低功耗成为趋势。无论是传统设计还是新 电路技术，往往忽略了微波电路结构及金属接地版的开发与利用。e b g 结构正 是从此切入，其发展对电路的小型化提供了一条新途径，其所具有的阻带特性、 慢波特性令众多的科学工作者着迷，目前在微波电路中的广泛应用集中在以下几 个方面： l 、小型化滤波器的设计 应用e b g 结构的带阻、慢波特性设计的低通、带通滤波器等滤波器，具有 占用空间小、带内损耗低、带外抑制特性好等优点，而且易与成熟工艺兼容。根 据不同的e b g 周期性结构，可分为以下几种形式：( 1 ) 在接地板上利用光刻、 腐蚀等工艺蚀刻出e b g 结构 1 3 1 7 。图1 1 为典型的e b g 结构滤波器。( 2 ) 考 虑到封装、集成等问题的困扰，文献 1 8 2 0 提出了新的周期性加载e b g 结构， 更加灵活的方式使得封装、共地等问题得到解决。 薹 岔 ( a ) 滤波器e b g 结构( b ) 滤波器s 参数 图1 1 在微带电路地上蚀刻周期性e b g 结构的低通滤波器 f i 9 1 1l o w p 够sf i l t e rw i t he b g c e l le t c h e do nt h eg r o u n do f m i c r o s t r i p 2 、e b g 结构对高次谐波的抑制 利用e b g 结构的带阻特性，可以使得系统的高次谐波落在其带隙内，从而 能有效的将高次谐波所引起的信号串扰、功率损耗、高次谐波辐射等问题消除。 如文献 2 1 2 2 1 中提到的在微带天线中应用e b g 结构，衰减高次谐波辐射从而提 高天线的性能，如图1 2 所示。 上海交通大学博士学位论文 萋 呈 j f r c q “m e , ji r , 4 r , z l ( a ) 微带天线结构( b ) 仿真结果比较 图1 2e b g 在微带天线中的高次谐波辐射抑制 f i 9 1 2h a r m o n i cc o n t r o lb ye b go nm i c r o s t r i pp a t c ha n t o n n a 3 、e b g 在c p w 、光纤波导中的应用 基于e b g 的带阻特性，其应用不仅局限于微带线，而且在c p w 、波导中也得 到广泛的应用。通过在c p w 中心导带与地之间构建周期枝节，从而得到更加紧 凑的e b g - c p w 结构，可以完成诸如滤波、高q 值谐振腔等功能，图1 3 为e b g c p w 滤波器的结构与对应s 参数 2 3 】。 口 z ；4 7 1 0 曙珥” 频率( g h z ) ( a ) e b g - c p w 结构( b ) 滤波器s 参数 图1 3e b g - c p w 滤波器 f i 9 1 3l a y o u to f e b g - c p ws t r u c t u r e sf i l t e ra n dt h esp a r a m e t e r 此外，源于光学领域的e b g 结构在t e m 矩形光波导功率合成器的应用中， 利用e b g 结构在阻带频段实现理想磁面( p e r f e c tm a g n e t i cc o n d u c t o r , p m c ) 【2 4 。 图1 4 为t e m 波导，侧壁e b g 结构在阻带频段由于阻抗相位的变化从而实现 p m c 的边界条件。 随着对e b g 结构的研究，更多新颖的e b g 应用会越来越广泛。在从光波到 4 011 o 神 曲 糟 脚 柚 岔鼍：p n 百 上海交通大学博上学位论文 微波、毫米波波段的都可利用e b g ，e b g 的慢波特性使得小型化、高性能得以 实现。 卫 ( a ) u c p b g 光波导 ( b ) p m c 实现解释 图1 4t e m - 波导的u c e b g 结构 f i 9 1 4s c h e m a t i ca n d r e s u l to f t e m - w a v e g u i d e 1 3 移动通信小型化天线设计 天线小型化的方法主要有 2 4 - 6 8 】： 1 采用具有慢波特性e b g 结构。式( 1 1 ) 为传播常数表达式，由其可知， 通过人为改变传统微波电路分布参数，可以使得原电路系统相对电长度变大，对 应于在较小空间内实现天线结构，做到天线小型化。除了广泛应用的e b g 结构， 基于相同设计理念，同样可以根据天线电流分布的特点，在电流相对集中的馈电 点、接地点附近通过引入缝隙、开槽等方法，人为的引入耦合电感、电容，同样 可以取得很好的慢波效应。 = w 4 l c( 1 1 ) 2 提高介质的介电常数，此方法通常是天线小型化常用手段。式( 1 2 ) 为 天线谐振频率近似公式。但是由于高介电常数的应用，天线与地所形成的谐振腔 q 值过高，使得带宽变窄，辐射效率降低，同时可能引起表面波的辐射损耗。 一赤 0 2 3 在传统以谐振天线零电位处引入短路片或短路探针可使天线谐振长度 缩小为原来的一半。微带贴片天线的基本谐振模式的场分布存在一电壁，用一金 属片代替这一电壁，可以去掉微带贴片的一部分，从而天线可实现小型化。如果 上海交通大学博 学位论文 将金属片改为探针，天线的尺寸可以进一步缩小，具体可从式( 1 3 ) 得到解释，式 ( 1 3 ) 是微带贴片天线谐振频率的另一种表达方式，其中代表金属片或探针的电 感，c 代表微带贴片的电容，如果将金属片改为探针，上变大，c 不变，谐振频 率降低，从而达到了进一步小型化的目的： 厂= 互忑1 ( 1 3 ) 4 延长电流路径也为一种有效的方法，如螺旋单极天线，通过天线之间的 耦合作用使天线谐振频率降低。对于微带天线或p w a ( p l a n a ri n v e r t e d a n t e n n a ) 天线，延长电流路径的方法有贴片弯折、贴片开槽、贴片加载缝隙等。对于手机 等通信设备，在原本天线空间不足的情况下，可以通过在机壳侧面添加弯折等方 法增加天线有效辐射面积，做到天线与机壳共形，使得手机等通信设备超薄。 天线小型化的每一种方法都有局限性：提高介质的介电常数将容易激励起 表面波，使得天线的效率下降，增益降低，同时高的介电常数会使天线的带宽变 窄；采用短路片或短路探针的方法来实现天线的小型化会使得天线的交叉极化恶 化；延长电流路径的方法使得天线的加工比较复杂，有时也会带来交叉极化的问 题。相对而言采用e b g 结构改善微带天线的增益、提高辐射效率、方向性有着 独特的优点，尤其是在采用高介电常数的衬底时，能有效的在小型化基础上，改 善天线性能，对高介电常数小型化天线来说是个弥补损失的有效方法。 为了扩大系统容量或者是实现多模通信，实际的通信系统往往工作在两 ( 多) 个频段上，在安装两( 多) 付天线不合适的情况下，双( 多) 频天线的使 用就非常重要了。对于地面移动通信系统中常用的微带天线而言，实现双( 多) 频的方法主要有：模式正交、多贴片和电抗加载 3 2 - - 6 9 。模式正交是多用于矩 形贴片中实现双频的简单方法，该方法利用贴片在两个正交方向上不同的尺寸， 产生两个正交的模式：t m i o 和t m o l ，此时，两个频率的比值等于矩形贴片的两 个边长之比；多贴片的结构产生双( 多) 频的原理主要是运用多个辐射单元，每 个辐射单元上均具有较强的电流分布，在其所对应的频率处谐振，在某一频段工 作时一般只有其中一个贴片起主导作用；通过在一个简单形状的贴片上，引入一 些电抗性的负载，会改变原先贴片上的电流分布，从而使得贴片表现出和原先不 一样的特性，贴片原先的谐振模式得到扰动，从而可以产生双( 多) 频的效果， 6 上海交通大学博上学位论文 电抗加载采用的具体办法有：短截片、凹槽、电容、短路针、缝隙、贴片环等。 对于小型化多频带的移动通信小天线，面临的一些难点主要有带宽问题， 如手机内置式天线要求的频段有：g s m & d c s & p c s 甚至更多频段的综合，对于 目前手机内置天线的空间大约仅有( 5 0 0 7 5 0 ) r 姗2 + ( 6 5 - - 8 ) m m 。对于天线带宽的 拓展主要采用如下几种方法：1 寄生单元的应用；2 共馈点的多模式；3 端接 负载；4 提高天线距离地的距离；5 减少天线衬底的介电常数。这方面的问题 本文的第四章将有具体案例展示。 1 4 小型化天线设计c a d 对于目前的小型化移动天线的设计，没有成熟、具体应用的软件帮助实现， 这主要是因为天线的实际工作电磁环境比较复杂，很难将对天线有影响的各方面 因素考虑进去，如：移动设备外壳及p c b 板的l a y o u t ，包括p c b 板的t o p 层地 的切割，板上器件的布局、天线下方及周围的喇叭、听筒、摄像头等复杂因素的 影响，这些影响因素不可能在仿真软件中充分考虑。需要多次反复的调试才能达 到设计要求；在双( 多) 频设计中，天线的小型化的研究仍然有待深入，尤其在 目| j 的移动通信终端设备中，要求的是双( 多) 频段的小型化天线；天线的性能 和整机特性息息相关，移动通信设备主板的e m c 对天线的工作状态亦有明显的 影响，如在测试天线的发射功率、接收灵敏度时，经常发射功率达到通信设备的 认证标准，然而接收灵敏度却不能通过，主要是通信设备的主板射频模块屏蔽问 题而引起的频差；或是天线在工作状态下对射频模块引起的干扰所致；或是移动 设备射频模块的输出阻抗与天线的失配；天线的馈入点与p c b 下层地之间的强 烈耦合影响天线的工作状态等。所有这些在实际工程中所遇到的问题对天线的科 研工作提出了严峻的挑战，同时也提供了课题与方向。目前商用软件如z e l a n d 、 x f d t d 、h f s s 、c s t 等软件还不能真正意义上对建模复杂的天线进行综合考虑， 只能提供相应的简单设计依据。 1 5 本文研究目的与创新成果 本文对将e b g 结构用于移动通信系统微波电路中无源器件的小型化设计进 行研究。着重对滤波器、谐振器等方面深入的探讨，并针对当前移动通信系统中 7 上海交通大学博t 学位论文 小型化天线设计展开深入研究，给出大量实际的案例进行设计、测试。 本文的结构及创新点： 1 首先，根据广义的光波、微波传输理论，对微波电路中的缺陷态 f a r b r y - p e r o t 进行理论分析，为后续的滤波器理论分析提供相应的理 论基础。并基于f e m 对其进行仿真，与文献相比较，谐振特性得到 明显改善，其带内参数为：谐振点f o = 9 7 8 g h z ，其中s l * 一1 1 7 5 d b ， 曼* 一1 1 d b ，在具有良好谐振特性的拥有较高的q 值。 2 然后，对无源器件滤波器在周期加载的基础上进行深入的理论研究。 提出了一些新颖的p b g 结构，进行大量的仿真、测试。设计并测试 了双模带通滤波器，其带内损耗仅为- 4 5 d b ，通带中心频率为 2 5 2 0 i - i z ，- 3 d b 带宽为1 8 g h z ，相对带宽7 。 3 其次，研究了当前移动通信系统中的小型化天线的设计。针对工程 实际案例，尤其针对单极天线、p i f a 、陶瓷等形式手机内置式天线 进行设计、测试( p a s s i v e 测试：包括驻波比、增益、辐射效率：a c t i v e 测试：包括t x 、r x 、1 r i 冲、1 1 s 。 4 根据实际案例及工作总结，给出手机内置天线设计规范、主板l a y o u t 注意事项，为手机研发周期及风险提供有益的建议。 上海交通大学博上学位论文 参考文献 【1 】e y a b l o n o v i t c h , i n h i b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d s t a t ep h y s i c sa n d e l e c t r o n i c s ，p h y s r e v l e t t ，5 8 ( 2 0 ) ，p 2 0 5 9 - 2 0 6 2 ，1 9 8 7 【2 】s j o h n ，s t r o n gl o c a l i z a t i o no f p h o t oi nc e r t a i nd i s o r d e r e dd i e l e c t r i cs u p e rl a t t i c e s 。 p h y s r e v l e t t ，5 8 ( 2 3 ) ，p 2 4 8 6 - 2 4 8 9 ，1 9 8 7 3 】y a s u s h ih o r o i ia n dm a k o t ot s u t s u m i ，h a r m o n i cc o n t r o lb yp h o t o n i cb a n d g a po n m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a , i e e em i c r o w a v ea n dg u i d e dw a v el e 觚，v 0 1 9 ，n o 1 ，j a n u a r y , p 1 3 - 1 5 ，1 9 9 9 【4 】p o hs o kh u i ，a l p h o n e s , a , m i e r o s t r i pp a t c ha n t e n n aw i t ha n n u l a rr i n gp b g m i c r o w a v ec o n f e r e n c e ，p 1 3 4 7 - 1 3 5 1 ，2 0 0 0 【5 】r o b e r t oc o e c i o l i ，f e i - r a ny a n g , k u a n g p i n g v i a a n dt a t s u o n o l l ， a p e r t u r e - c o u p l e dp a t c ha n t e n n ao nu c e b gs u b s t r a t e i e e et r a n s a c t i o n0 1 1 m i c r o w a v et h e o r ya n dt e c h n i q u e s ，、，0 1 4 7 ，n o 1 1 ，p 2 1 2 3 2 1 3 0 ，n o v e m b e r1 9 9 9 6 】b a y i n d i r , m ，c u b u k c u , e ，b u l u , i ，o z b a y , e ，p h o t o u i cb a n dg a pe f f e c ta n d l o c a l i z a t i o ni nt w o - d i m e n s i o n a lp e n r o s el a t t i c e ，l a s e r sa n de l e c t r o o p t i c s ， c l e o 0 1 ，p 5 9 6 5 9 7 ，m a y2 0 0 1 【7 】j i p a r k , c s k i m ，j k i m , e t e ，m o d e l i n go fap h o t o n i cb a n d g a pa n di t s a p p l i c a t i o nf o rt h el o w - p a s sf i l t e rd e s i g n ，a s i a - p a c i f i cm i c r o w a v ec o n f e r e n c e ， p 3 3 1 - 3 3 4 ，s i n g a p o r e ，1 9 9 9 8 】d a la ，p a r k , j s k i m ，c se t c ，ad e s i g no ft h el o w - p a s sf i l t e ru s i n gt h en o v e l m i e r o s t r i pd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e s ，i e e et r a n so nm i c r o w a v et h e o r ya n d t e c h n i q u e s ，4 9 ( 1 ) ，p 8 6 - 9 3 ，2 0 0 1 9 】j s 、l i me t e ，ap o w e ra m p l i f i e r 、】l ，i me f f i c i e n c yi m p r o v e du s i n g d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r e ，i e e em i c r o w a v ea n dg u i d e dw a v el e t t e r s ，1 1 ( 4 ) ，p 1 7 0 - 1 7 2 ，2 0 0 1 【1 0 】j l i i i l s ，l e ee r e ，as p i r a l - s h a p e dd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e f o rc o p l a n a r w a v e g n i d e ，i e e em i c r o w a v ea n dg u i d e dw a v el e a e r s ，1 2 ( 9 ) ，p 3 3 0 - 3 3 2 ，2 0 0 2 【li b a y i n d i r , m ，a k a r c a , s s ，o z b a y , e ，p h o t o n i cb a n dg a ps t r u c t u r e sf o rw d m a p p l i c a t i o n s ，q u a n t u me l e e t r o u i c sa n dl a s e rs c i e n c ec o n f e r e n c e ，p 8 4 8 5 ，2 0 0 2 1 2 章文勋，世纪之交的天线技术，电波科学学报，2 0 0 0 ，1 5 ( 1 ) ：9 7 1 0 0